高温MOCVD生长AlN的化学反应机理研究

发布时间：2020-08-03 17:08

【摘要】：AlN是一种性能优异的III-V族氮化物材料,在大功率器件、紫外与深紫外光电子器件等领域应用广泛。金属有机化学气相淀积(MOCVD)是制备AlN材料的关键工艺技术,其中MOCVD的气相反应决定了薄膜的生长速率和均匀性,表面反应决定了薄膜的表面形貌和生长质量。然而由于气相反应中寄生预反应严重以及在生长表面上的Al吸附原子迁移率低,采用MOCVD生长高质量AlN薄膜仍面临严峻的挑战。通过提高生长温度,可以增强Al原子的表面横向迁移率,从而改善AlN晶体质量和表面样貌。因此选择在高温下使用MOCVD技术生长AlN。随着计算机计算能力的提升,可以通过计算化学来模拟复杂的化学反应机理,从而深入研究AlN具体的生长机理,在后续的实际工艺中确定适宜的生长参数,生长出高质量、高性能的AlN薄膜。本文的研究内容主要有以下几个方面:(1)采用量子化学计算软件Gaussian,对MOCVD生长AlN的加合路径、热解路径、氨基物聚合分解的寄生路径进行热力学计算,分析了温度因素对上述路径的影响。结果表明:NH_3不过量时,温度T268 ~oC时,TMAl与NH_3自发生成加合物TMA1:NH_3,随后通过消去反应生成氨基物,高温下DMAlNH_2不可能再结合NH_3分子。当T300 ~oC时,TMAl:NH_3将重新分解。NH_3过量时,生成的加合物TMA1:NH_3会继续结合一个NH_3分子,形成配位键加合物比氢键加合物的概率更大。TMAl和MMAl的热解反应需要高温激活,当T1000 ~oC时,DMAl生成MMAl的热解反应将自发进行。寄生反应中的(MMAlNH)_2和(MMAlNH)_3是最可能的末端气相反应前体。(2)采用密度泛函理论计算分子结构和能量,结合过渡态理论估算气相反应的反应速率和活化能,以及选择7个表面反应作为表面反应模型,这里的表面反应机理不考虑NH_3和三聚物在表面的吸附和反应,表面产物只有吸附在表面的Al(s)和AlN(s),从而确定了一个相对完善的高温下AlN-MOCVD的化学反应动力学模型。(3)基于AlN生长特性和反应机理的研究分析结果,提出并建立了使用高温MOCVD方法生长AlN薄膜的Grove生长速率模型。该模型考虑了生长源在边界层内发生的气相化学反应。基于Grove模型,进行了不同温度和不同压强下的生长速率模型验证;对比结果为:在压强恒定为85torr时,在400-900 ~oC下的生长速率模型均能与实验值较好吻合,平均误差为4.34%;在衬底温度为600 ~oC时,30-270 torr下的生长速率模型与实验值趋势一致,平均误差为8.66%。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;O643.12
【图文】：

、大功率器件、高效光电子器件和 FABR 滤波器等[3-5]。金属有机化学气相沉积（HT-MOCVD）作为一种化学气相沉积技术，物光电子器件、微电子器件等[6]。反应室中生长温度的提升，不仅可以 Al 原子迁移率增加，而且反应室中的热泳力使污染颗粒物远离表面生 AlN 生长质量和均匀性的作用[7]。因此本文选择在高温下使用 MOCVlN 薄膜。 的结构与应用.1 AlN 材料结构 薄膜材料被用来制备 LED、紫外探测器和高效光电子器件等，现如今之后最重要的第三代半导体材料[8]。作为一种很有前景的直接带隙短波AlN 的禁带宽度为 6.2eV，属直接阶跃型能带结构[9]。图 1.1 为 AlN 的

总之，高质量 AlN材料的开发和制备在紫外或深紫外的科学研究和应用中具有重要意义。图1.2 由高温生长 AlN 制备的紫外 LED 的主要应用[20]1.2 高温 MOCVD 原理及生长模式高质量 AlN 薄膜生长几乎采用分子束外延[21]（Molexular Beam Epitaxy，MBE）、金属有机化学气相淀积（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）、氢化物气相外延[22]（Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE）等技术。

图1.3 MOCVD 反应流程示意图时，一般选择异质衬底[30]，常用的是蓝宝石（Sapp1-33]。蓝宝石衬底的生产工艺成熟、器件质量较好；蓝宝石的物理硬度高，方便清洗。因此，大多数工艺 年出现了蓝宝石衬底供不应求的局面。然而，蓝宝间存在很大的晶格失配和热失配问题，在蓝宝石上的位错缺陷，导致了生长薄膜表面不均匀，但是蓝宝

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本文编号：2779938